Введення.

Оптоелектроніка - це розділ електроніки, пов'язаний головним чином з вивченням ефектів взаємодії між електромагнітними хвилями оптичного діапазону і електронами речовини (переважно твердих тіл) і охоплює проблеми створення оптоелектронних приладів (в основному методами мікроелектронної технології), у яких ці ефекти використовуються для генерації, передачі, зберігання і відображення інформації.
Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної електроніки: мініатюризація елементів; переважне розвиток твердотільних площинних конструкцій; інтеграція елементів і функцій; орієнтація на спеціальні надчисті матеріали; застосування методів групової обробки виробів, таких як епітаксії, фотолітографія, нанесення тонких плівок, дифузія, іонна імплантація, плазмохімії та ін
Винятково важливі і перспективні для оптоелектроніки гетероструктури, в яких контактують (усередині єдиного монокристалу) напівпровідники з різними значеннями ширини забороненої зони.

Гетероперехід. Фізичні основи.

Якщо n-і p-область переходу виготовлені з різних напівпровідників, то такий перехід називається гетеропереходів. Відмінність
від звичайного переходу більш тонко в тому випадку, коли напівпровідники взаіморастворіми, а плавний перехід. Переходи останнього типу іноді називають "квазігомопереходамі". Таким чином, плавні переходи між n-ZnSe і p-ZnTe або між p-GaAs і n-GaР являютcя квазігомопереходамі.
Однією з причин звернення до гетеропереході є можливість отримати високоефективну інжекції неосновних носіїв в вузькозонних напівпровідник, тобто суперінжекція, що полягає в тому, що концентрація інжектованих до бази носіїв може на декілька порядків перевищити їх рівноважний значення в зміттерной області (див. рис. 1). Це означає, що прагнення отримати g = 1 в широкому інтервалі зміни прямого струму не накладає жодних обмежень на вигляд і концентрацію легуючих домішок в емітерний і базової областях - у розробника оптоелектронних приладів з'являється зайва "ступінь свободи".


Ця властивість гетеропереходів легко зрозуміти з розгляду рис.2. Коли пряме зміщення вирівнює валентну зону, дірки нжектіруются в n-область. Інжекції ж електронів з n-області в p-область перешкоджає бар'єр DE = Еg1 - Еg2 (див. рис. 2).

Очевидно, що в цьому випадку излучательной рекомбінація буде відбуватися в вузькозонних області. Так, в гетеропереході GaAs - GaSb смуга інжекційно люмінесценції знаходиться при енергії 0,7 еВ, що дорівнює ширині забороненої зони GaSb. Оптичні властивості емітера і бази гетероструктури різні і можуть змінюватися в широких межах незалежно один від одного. Звідси, зокрема, випливає, що ширококутного емітер є "вікно" для більш довгохвильового випромінювання, що генерується (або поглинається) вузькозонних базою. Крім того, розбіжності в значеннях Еg веде і до різниці показників заломлення n, що породжує волноводный ефект, тобто концентрацію оптичної енергії в шарі з великим n при поширенні випромінювання уздовж шару.

На практиці гетеропереході притаманні недоліки, пов'язані з кордоном розділу: рівень Фермі виявляється фіксованим на кордоні через поверхневих станів. Тому замість рівного ходу для однієї з зон зазвичай має місце бар'єр типу Шотткі, як показано на рис. 3. Оскільки бар'єр Шотткі володіє випрямляючих дією, його рісутствіе стає очевидним при розгляді nn-гетеропереходів - тобто переходів між двома різними напівпровідниками n-типу.
Рис. 3
Особливий інтерес представляють гетеропереході між CdS і яким-небудь більш ширококутного напівпровідником p-типу. Кристали CdS завжди мають n-тип провідності, і р-n-переходи в цьому матеріалі до цих пір не виготовлені, незважаючи на більш ніж двухдесятілетніе зусилля багатьох дослідницьких груп. З'єднання CdS має широку прямий забороненою зоною (Еg d 2,5 еВ) і може випромінювати зелено-блакитне світло.
Були зроблені спроби виготовити гетеропереході між CdS та SiC. SiC - ширококутного напівпровідник, якому, за бажанням, за допомогою відповідного легування можна надати n-або p-тип провідності. Залежно від модифікації ширина забороненої зони SiC варьіруетсн від 2,7 до 3,3 еВ. Модифікація визначає характер періодичності в розташуванні атомних зв'язків. CdS n-типу був вирощений на SiC р-типу, з тим щоб дірки при прямому зсуві могли інжектованих в CdS і створювати видиме випромінювання. Було виявлено, що спектр випромінювання зсувається з струмом і колір люмінесценції плавно змінюється від червоного до зеленого. З'єднання Cu2S, яке має p-тип провідності, також володіє забороненою зоною, ширшою ніж CdS. Гетеропереході, виготовлені напиленням Cu2S на CdS, мають червону інжекційні люмінесценцію, інтенсивність якої лінійно змінювалася з струмом. Цей процес, очевидно, пов'язаний, з рекомбінацією через глибокі центри.


Застосування гетеропереходів.

Випромінювачі.

Инжекционный лазер.
Інжекціоннний лазер являє собою напівпровідниковий двухелектродний прилад з pn-переходом (тому часто як рівноправний використовується термін "лазерний діод"), в якому генерація когерентного випромінювання пов'язана з інжекцією носіїв заряду при протіканні прямого струму через pn-перехід.
Різновиди інжекційних лазерів. Розглянуті теоретичні положення визначають шляхи вдосконалення найпростішої структури лазера. Обстежено та реалізовані варіанти розташування шарів по товщині кристала. У гомогенному напівпровіднику pn-перехід як засіб електронного обмеження досить недосконалий: при високих рівнях накачування відбувається даремна Инжекция електронів вліво (через падіння коефіцієнта інжекції), обмеження справа досягається лише природним спадання концентрації введених дірок за законом
exp (-х/L). Кордони, що визначають "електронну" та "оптичну" товщини активної області W і Wопт, не визначені і змінюються від режиму накачування. Всі ці недосконалості, які проявляються в кінцевому рахунку в високому значенні щільності порогового струму, зумовили безперспективність лазерів на однорідних напівпровідниках.
Широке промислове поширення набули тільки Гетеролазери, спільними особливостями яких є одностороння Инжекция, чітко виражений волноводный ефект, можливість суперінжекціі.
У односторонньої гетероструктурі (ОГС) електронне обмеження ліворуч ідеально, а праворуч таке ж, як і в лазері на гомогенному напівпровіднику (рис. 4, a); перевага перед іншими ОГС гетероструктурах полягає в простоті технології.

Воістину класичної стала подвійна (двостороння) гетероструктур (ДГС), в якій надтонка активна область "затиснута" між двома гетерограніцамі (рис. 4, б): саме вона дозволяє одержувати малі порогові щільності струму і значні вихідні потужності. Чотирьох і п'ятишаровий структури, що є вдосконаленою ДГС, дозволяють при дуже тонкій царині накачування W мати товщину хвилеводу Wопт, оптимальну з точки зору модових співвідношень. У пятислойні GaAlAs - структурах вдається отримувати Jпор = 102 A/см2 і
Рвих d 0,1 Вт. Відзначимо, що технологічні міркування вимагають створення низки перехідних шарів, тому реальні лазерні структури значно складніше, ніж фізичні моделі.
а) б)
Рис. 4. Енергетичні діаграми активних структур інжекційних лазерів і розподілу інжектованих носіїв заряду (заштриховані області): а) одностороння гетероструктур (ОГС),
б) подвійна гетероструктур (ДГС).

Особливості інжекційних лазерів. Інжекційні лазери мають ряд переваг, що виділяють їх серед випромінювачів і визначають домінуючу роль в оптоелектроніці.
1. Мікромініатюрность: теоретична мінімальна довжина резонатора близька до 10 мкм, а площа його поперечного перерізу - до 1 мкм2 (обсяг активної області може досягати 10-12см3). Це можливо тому, що в напівпровідникових лазерах індуковані переходи пов'язані не з окремими дискретними рівнями, а з переходами зона - зона, тому і посилення в них найбільше (gd103. .. 104 см-1).

2. Високий ККД перетворення енергії накачування у випромінювання, що наближається у кращих зразків до теоретичної межі. Це обумовлено тим, що лише за інжекційно накачуванні вдається виключити небажані втрати - вся енергія електричного струму переходить в енергію збуджених електронів.
3. Зручність управління: низькі напруги і струми збудження, сумісні з інтегральними мікросхемами; можливість зміни потужності випромінювання без застосування зовнішніх модуляторів; робота як у безперервному, так і в імпульсному режимах із забезпеченням при цьому дуже високій швидкості перемикання (в пікосекундном діапазоні).
4. Можливість створення необхідної спектральної лінії, що забезпечується вибором або синтезом прямозоні напівпровідника з
необхідною шириною забороненої зони; можливість одномодового режиму.
5. Використання твердотільної мікроелектронної групової технології. Звідси висока відтворюваність параметрів, придатність для масового виробництва, низька вартість, довговічність.
6. Працює з основним елементом мікроелектроніки - транзистором (по типу використовуваних матеріалів і за технологією обробки). Це відкриває принципову можливість створення інтегрованих лазерних випромінювачів.
Інжекційні лазерам притаманні і певні недоліки, до принципових можна віднести наступні:
невисока когерентність випромінювання (у порівнянні, наприклад, з газовими лазерами) - значна ширина спектральної лінії, велика кутова розбіжність, еліптичний астигматизм;
відносно мала генерується потужність (деякі оптоелектронні пристрої, наприклад голографічні ЗУ, вимагають лазери великої потужності);
істотність таких негативних явищ, як тимчасова деградація (особливо для короткохвильових лазерів), різке зменшення потужності випромінювання при підвищенні температури і вплив радіації.


Світлодіоди

Світлодіод представляетсобойполупроводніковий діод з
pn-переходом, протікання струму через який викликає інтенсивне некогерентного випромінювання. Робота світлодіоди заснована на спонтанної рекомбінаційні люмінесценції надлишкових носіїв заряду, інжектіруемих в активну область (базу) світлодіоди. Для світлодіодів характерні два механізми излучательной рекомбінації:
міжзонними рекомбінація вільних електронів і дірок у прямозоні напівпровідниках (квантові переходи зона-зона);
рекомбінація електронів і дірок у складі екситонів, пов'язаних з домішкових ізоелектроннимі центрами (пастками) в непрямозонних напівпровідниках.
Як і у випадку лазерів найкращим поєднанням параметрів мають гетеросветодіоди на основі гетероструктур, хоча специфіка створення некогерентного випромінювання дозволяє широко використовувати і світлодіоди на основі однорідних напівпровідників.
Переходячи до гетероструктур, відзначимо, що введення в них додаткового перехідного шару з плавно змінюються значенням Еg, обумовлено технологічними завданнями: завдяки поступовому зміни складу менше позначаються напруги через неузгодженість кристалографічних постійних. Зазначимо також, що p-області представляють собою багатошарові освіти, причому кожен з шарів характеризується не тільки своїм значенням забороненої зони, але також видом і концентрацією легуючих домішок. Структури рис.5 представляють собою ОГС та ДГС.


а) б)
Рис.5. Схеми розташування p-і n-шарів і зміни ширини забороненої зони по перерізу кристала для: а) ОГС; б) ДГС.
W - товщина активної області, в якій йде ефективна излучательной рекомбінація.

Якщо в ДГС ширококутного "обкладки" активної області зробити досить товстими (або хоча б одну з них), то підкладку можна видалити (стравити), і тоді промені світла, що поширюються вправо, не будуть поглинені, а після відбиття від нижньої межі кристала знову попрямують до лівої поверхні і при попаданні в апертурний кут вийдуть назовні. Процес відбиття від кордонів вглиб кристала може повторюватися багато разів до тих пір, поки світловий промінь не прийде під потрібним кутом до лівої поверхні. При цьому небажаного поглинання випромінювання в ширококутного областях не відбувається. У таких багатопрохідним структурах з віддаленої підкладкою коефіцієнт виводу випромінювання може досягати десятків відсотків.

Штучні квантові ящики

Штучні квантові ящики і надрешітки знаходять все більше застосування при розробці випромінювачів. У міру зменшення товщини активних зон лазерів і світлодіодів стають істотними квантові розмірні ефекти, тобто явища, в яких малі геометричні розміри розглянутих областей зобов'язують враховувати квантову природу вільних носіїв заряду.



Якщо товщину активної області подвійний гетероструктури зменшити до WdlБ (довжина хвилі де Бройля), то вільні електрони в цій галузі почнуть вести себе подібно двовимірним газу. Це означає, що в будь-який конкретний момент часу можуть бути зазначені лише дві координати електрона (y і z на рис. 6, б), тоді як за координаті x він "розмазав" по всій товщині W. Така надтонка ДГС являє собою квантову яму (або квантовий скринька), яка утримує двомірний електронний газ. Послідовне чергування великого числа таких ям утворює надрешітки (рис. 6, в). У загальному випадку окремі ями в надрешітки не обов'язково повинні бути однаковими по глибині і ширині, як це представлено на рис. 6, м.

Рис. 6. Квантовий розмірний ефект в гетероструктурі:
а) подання електрона у вигляді хвильового пакету де Бройля;
б) електрон (хвилі де Бройля) 1 в двовимірної квантової ямі 2;
в) чергування шарів арсенід-фосвіда галію з меншим (A) і великим (B) вмістом миш'яку в надрешітки.
г) енергетична діаграма в надрешітки (1 - енергетичні зони, обумовлені ефектом розмірного квантування).


Квантові ящики і надрешітки виготовляють шляхом послідовного епітаксиальні вирощування надтонких (близько 10 нм) шарів напівпровідникових сполук різного складу. Наприклад, схема рис. 6, в, г реалізована в одному з приладів при молекулярно-променевої епітаксії чергуються верств арсенід-фосфіду галію з більшим і меншим вмістом миш'яку; при цьому число шарів 100 ... 200, а ширина запрещеннойзони стрибкоподібно змінюється від
Еg1 = 1,4 до Еg2 = 1,9 еВ і назад.
Розмірні квантування породжує два основних фізичних ефекту:
зміна зонної діаграми, що виявляється в появі нових дозволених енергетичних станів для електронів (1 на рис. 6, г); тим самим принципово може бути сформована зонна структура будь-якого виду;
зміна кінетики електронів, що виявляється в їх пробігу між гетерограніцамі без зіткнень (і без втрат енергії) з домішкових атомів, - така властивість хвилі де Бройля, що розповсюджується в середовищі з періодично змінюються потенціалом; рухливість електронів виявляється такою ж, як у чистому напівпровіднику.
Технологічна особливість надграток полягає в тому, що внаслідок малості товщин сусідніх шарів стає суттєвим компенсаційна дію механічних напружень: практично надрешітки, незважаючи на відмінність складу шарів, має одне загальне середнє значення кристалографічної постійною. Можна припустити, що для випромінювачів ця обставина виявиться більш важливим, ніж фізичні фактори.

З фізичних та технологічних особливостей надграток випливає ряд важливих для створення випромінювачів наслідків, частина яких вже отримала експериментальне підтвердження: це отримання більш високих, ніж раніше, коефіцієнтів посилення хвилі в активному середовищі і, як наслідок, зменшення довжини резонатора лазера або зниження порогового струму; досягнення високої рухливості в сильно легованої матеріалі і на цій основі підвищення швидкодії як самих випромінювачів, так і схем електронного обрамлення; можливість "перекладу" непрямозонних напівпровідників у прямозоні, отримання прямозоні структур з будь-якою шириною запрещений зони, а також лазерів (і світлодіодів) з перебудовується довжиною хвилі, просування в синьо-зелену і УФ-область спектра; поєднання матеріалів з сильним структурним неузгодженість; неминучість відкриття нових корисних явищ при подальшому дослідженні надграток.
Таким чином, розвиток фізики і становлення техніки приладів з штучними квантовими ямами і надрешітки призведе до якісного стрибка в області випромінювачів і в оптоелектроніці в цілому.

Приймачі
Фотодіод
Фотодіод - це фотоприймач, що представляє собою напівпровідниковий діод, сконструйований і оптимізований так, що його активна структура виявляється здатної ефективно сприймати оптічское випромінювання. Практично для цього корпус фотодіода має спеціальне прозоре вікно, за яким розташовується фоточутливий майданчик напівпровідникового кристалу. Вживаються також заходи щодо усунення з цього майданчика затінюють елементів (непрозорих металевих електродів), зводяться до мінімуму товщини допоміжних шарів напівпровідника, що послаблюють фотоефект, на фоточутливий поверхню наносяться спеціальні антіотражающіе покриття тощо


Рис. 7. Фотодіод з гетероструктур (1 - ширококутного вікно; 2 - активна область; 3 - підкладка з перехідним шаром).

етерофотодіоди (мал. 7) представляють собою одну з найбільш бурхливо розвиваються різновидів оптоелектронних фотоприймачів. У конструкції будь-якого гетерофотодіода виділяються насамперед дві області: "ширококутного вікно" і активний фоточутливий шар. Ширококутного вікно без втрат пропускає випромінювання до активної області і в той же час є контактним шаром з малим послідовним опором. Процеси в активній області - поглинання випромінювання, накопичення (збирання) генеруються носіїв заряду - в значній мірі протікають так само, як і в кремнієвої pin-структурі. Важлива відмінність полягає в тому, що вибором відповідного напівпровідникового з'єднання фоточутливого шару вдається забезпечити повне поглинання випромінювання (у тому числі і в ІЧ-області) при товщині цього шару близько 1 мкм. Звідси поєднання високої швидкодії і високою фоточутливості при малих живлять напругах, що для Si-pin-структур в довгохвильовій області принципово неможливе: для повного поглинання випромінювання з l ~ 1,06 мкм товщина i-області повинна складати близько 3ОО мкм, а робоча напруга -- сотні вольт. Таким чином, гетерофотодіоди до певної міри еквівалент кремнієвих р-in-діодів в довгохвильовій області, хоча їх значущість цим не вичерпується.
Свобода вибору матеріалу зумовлює і можливість досягнення підвищених значень фото-ЕРС (наприклад, Uxx = 0,8 ... 1,1 В
у GaAlAs-структур), високого значення ККД перетворення (до 100%), менших, ніж у кремнію, темнова струмів і шумів, розширення температурного діапазону, підвищення стійкості до впливу проникаючої радіації.

Найважливішим достоїнством гетерофотодіодов є їх фізична і технологічна сумісність з пристроями інтегральної оптики. Безсумнівно корисним може виявитися те, що вони можуть бути виготовлені на одному кристалі з випромінювачем і мікросхемою, тобто відкривається можливість створення універсальних монолітних оптоелектронних елементів дуплексної зв'язку. Гетерофотодіоди значно складніше у виготовленні, ніж кремнієві, проте наявні технологічні труднощі поступово долаються. Основні матеріали гетерофотодіодов - GaAlAs для l ~ 0,85 мкм і InGaAsP, InGaAs для l = 1,3 ... 1,55 мкм. Гетерофотодіоди працюють і в режимі лавинного множення, причому завдяки малій товщині активної області робоча напруга може становити десятки вольт. Перешкодою на шляху їхнього розвитку є та обставина, що практично для всіх сполук А3В5 коефіцієнти розмноження
електронів і дірок приблизно однакові (a-da +) це призводить до підвищеного рівня шумів. Виняток становить GaSb, проте цей матеріал поки все ще характеризується дуже низькою якістю. Тому широкий розвиток лавинних гетерофотодіодов малоймовірно, їх альтернативою є інтегровані структури, в яких на одному кристалі напівпровідника A3B5 об'єднані гетерофотодіод і МДП - транзистор. Швидкодія таких структур може бути менш
0,1 нс при внутрішньому посилення близько 102.
Створення гетеро-ЛФД представляється можливим завдяки розвитку техніки надграток. Аналіз показує, що в надрешітки можна доводити ставлення a +/a - до 20 і більше.


Фототранзистори

Фототранзистори становлять досить представницький загін оптоелектронних фотоприймачів, найбільш характерними рисами якого є наявність механізмів вбудованого посилення (звідси висока фоточутливість) і схемотехнічних гнучкість, обумовлена наявністю третє - керуючого - електрода. У той же час фототранзисторів властива помітна інерційність, що обмежує область їх прімерненія в основному пристроями автоматики і управління силовими ланцюгами. Вони виготовляються практично тільки на кремнії.



Рис. 8. Гетерофототранзістор
1 - n +-InP-емітер з кільцевих електродом;
2 - p-InGaAsP-база;
3 - n +-n-InP-колектор (підкладка).


Гетерофототранзістори (рис. 8) засновані на принципі дії звичайного біполярного фототранзистори, але в них використовуються і всі достоїнства гетероструктур: ширококутного емітерний і колекторні вікна (що дозволяє створювати конструкції з прямою і зворотною - через товстий шар колекторний - засвіченням); тонка фотоактівная базова область , повністю поглинає впливає випромінювання; ідеальність гетерограніц, що перешкоджають просочування основних носіїв бази в колектор і накопиченню їх у ньому. Все це веде до того, що гетерофототранзістори можуть мати не тільки високу чутливість в будь-якому заданому ділянці спектру, але й дуже висока швидкодія (в нано-та субнаносекундном діапазоні). Однак гетерофототранзістори використовуються, як правило, лише в діодному включенні (так як висновок від вузької базової галузі зробити важко), що позбавляє їх схемотехнічне гнучкість, притаманні транзисторам. В міру удосконалення і промислового розвитку ці прилади стануть "суперниками" ЛФД, вигідно відрізняючись від них низьким годує напругою, відсутністю жорстких вимог до стабілізації режиму роботи та іншими достоїнствами, властивими транзисторам.



Висновок

Отже, як ви вже встигли переконатися, застосування гетеропереходів в оптоелектроніці допомагає вирішити багато проблем. Так, зокрема, знайдене рішення задачі створення приладів з прямозоні енергетичної діаграмою, що не вдавалося реалізувати на гомогенних структурах. Прозорість ширококутного емітера для рекомбінаційні випромінювання бази гетерогенної структури істотно полегшує завдання констуірованія випромінювальних приладів. Також гетероструктури сприяють все більшій інтеграції оптоелектронних пристроїв. Реалізація надграток дозволить створювати елементну базу з довільними зоннимі діаграмами, тобто гетероструктури є перспективним напрямом дослідження. Технологічні труднощі виготовлення гетеропереходів, як нам здається, явище тимчасове і в недалекому майбутньому можна перебороти. Щодо нашої спеціальності (фізика і техніка оптичного зв'язку) гетероструктури є гарною підмогою в конструюванні систем волоконно-оптичного зв'язку. Інжекційні лазери, наприклад, з їх здатністю генерувати пучок світла, (який є переносником інформації в волоконно-оптичних лініях зв'язку) з наперед заданим напрямком розповсюдження - вирішення проблеми мініатюризації основних елементів систем волоконно-оптичного зв'язку.
Звичайно, існують ще багато невирішених проблем, але, як нам здається, майбутнє оптоелектроніки нерозривно пов'язане з гетероструктурах.



Література:

Панков Ж "Оптичні процеси"

Носов Ю.Р. "Оптоелектроніка"